[发明专利]一种基于多因子的工业物联网会话密钥协商方法

权利要求书

1.一种基于多因子的工业物联网会话密钥协商方法，其特征在于：包括工业物联网系统初始化、认证和密钥协商以及系统更新；

步骤(1)、工业物联网系统初始化

(1.1)服务器Server初始化：通过生物特征概率生成函数Gen(·)和确定性复原函数Rep(·)，为各服务器Server生成私钥S并建立私钥列表；

(1.2)设备注册：设备离线状态时向服务器Server提供注册信息，服务器Server产生随机值r_j，来计算设备伪名RID_j和设备私钥Ksd_j，RID_j＝h(ID_j||r_j)，Ksd_j＝h(RID_j||S)，H(·)为单向哈希函数，ID_j为设备标识，||表示连接运算，并将设备标识、设备伪名、设备标识加入该设备工作区域的设备列表SDList，同时由服务器Server存储；

(1.3)用户注册：用户U_i生成一个随机值r_i，计算自己的假名RID_i＝h(ID_i||r_i)，将假名RID_i发送给服务器Server；服务器Server检查用户U_i身份的合法性，若合法则使用注册区域的私钥S计算用户私钥Ksu_i＝h(RID_i||S)；并将私钥以及区域内的设备列表信息发送给用户；用户U_i使用模糊提取概率生成函数Gen(BIO_i)＝(σ_i,τ_i)得到生物特征密钥σ_i以及公共复原参数τ_i；用户U_i设置密码PW_i；智能卡计算并存储(用户的数字签名TPW_i、加密的用户私钥Ksu_i*、加密的用户伪名RID_i*、加密的设备信息列表SDList*、τ_i)；σ_i和τ_i分别为用户U_i的生物特征密钥和公共复原参数；

步骤(2)、认证和密钥协商过程：

(2.1)用户登录，即用户在智能卡的辅助下进行登录和身份验证；用户U_i输入身份ID_i和密码PW_i，并使用τ_i和模糊提取确定性复原函数Rep(·)，在阈值t内复原用户的生物特征密钥σ_i；智能卡计算待验证的用户数字签名将TPW_i’与存储中的TPW_i比较，验证用户身份；

(2.2)用户发起请求：用户通过验证之后，智能卡先解密计算出加密存储的信息，然后智能卡产生当前时间戳T₁并有智能卡计算每一条加密的消息：用户随机值的加密消息M1，用户的身份验证消息M2，设备的伪名加密消息M3和用户的可验证数字签名M4；

用户将会话请求队列MQ1发送给服务器Server，MQ1＝{RID_i，M1，M2，M3，M4，T₁}；

(2.3)服务器Server响应请求：服务器Server接收到消息队列MQ1之后，首先对消息时间进行验证，如果验证通过，服务器Server计算M2*＝h(Ksu_i||T₁)，验证消息队列M2与M2*是否相等以及检查RID_i是否合法；若服务器Server验证消息合法，则依次从消息队列中计算出待验证的相关参数，待验证的用户私钥Ksu_i’、待验证的用户随机值r_u’、待验证的设备伪名RID_j’和待验证的消息M4’，如果M4与M4’相等，则证明消息没有被修改过；然后服务器Server将新的用户伪名更新入用户信息；服务器Server生成随机值r_s，计算临时认证凭证以及新的用户私钥且保存用户的新私钥；

服务器Server计算消息设备需要重加密的用户的新私钥加密消息Mu5、用户的随机值加密消息M6、服务器的随机值加密消息M7、服务器的数字签名消息M8和用于验证用户私钥是否被篡改的加密消息Mu51；服务器Server将消息队列MQ2传送给设备，MQ2＝{Mu5，M6，M7，M8，Mu51，T₂}；T₂为当前时间戳；

(2.4)设备认证并计算会话密钥：

设备接收到消息队列MQ2之后，通过当前时间戳T₃进行时间验证，验证通过后，设备利用设备私钥依次解密计算出待验证的用户随机值r_u’和待验证的服务器随机值r_s’；如果验证M8与待验证的消息M8’相等，则判定消息未被更改；然后设备SD_j生成随机值r_d，计算出用户可解密的新私钥的加密消息Mu9、设备计算出的协商会话密钥SK、服务器和设备的随机值的加密消息M10、服务器的关于用户新私钥的签名消息M11、服务器随机值的加密消息M12和设备的数字签名M13；设备将消息队列MQ3传送给用户，MQ3＝{Mu51，M10，M11，M12，M13，T₃}；

(2.5)用户认证并计算密钥：

用户接收到MQ3之后，通过当前时间戳T₄进行时间验证，验证通过后用户依次计算出用户解密出的签名Mu9’、待验证的服务器生成的秘密值r_s’、待验证的临时认证凭证待验证的用户新私钥和用户计算出的待验证签名Mu9”，如果Mu9’与Mu9”相等，则计算待验证随机值的加密值h(r_d||r_s)’、待验证的会话密钥SK’和待验证的签名消息M13’，如果M13与M13’相等，则认可SK’为会话密钥，并更新用户的私钥

步骤(3)、工业物联网系统更新，依次包括用户密码和生物特征更新、设备更新和用户撤销。